用于SCR催化器性能評價的尿素噴射控制系統(tǒng)

白羽，滕勤*，馬標(biāo)

(1.合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，安徽合肥 230009；2.安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601)

0 引言

機(jī)動車污染是我國空氣污染的重要來源，2017年NOx排放總質(zhì)量的近70%來源于柴油汽車，超過90%的顆粒物排放(particulate matter，PM)來源于柴油汽車，因此，重型柴油車是污染物排放總量的主要貢獻(xiàn)者[1]，也是移動污染源排放控制的重點。近年來，汽車尾氣治理力度不斷加大，排放法規(guī)變得更加嚴(yán)格，文獻(xiàn)[2]的發(fā)布標(biāo)志著重型柴油車國六排放標(biāo)準(zhǔn)的實施已進(jìn)入倒計時。單純依靠機(jī)內(nèi)凈化已無法滿足現(xiàn)階段和未來法規(guī)的排放限值要求，必須采用后處理技術(shù)加以解決。在各種先進(jìn)的NOx控制技術(shù)中，選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)已被證明在重載應(yīng)用中非常有效[3]，是道路和非道路商用車輛的首選技術(shù)[4]。

高效率的SCR是國六排放柴油機(jī)必須達(dá)到的基本要求，催化器的評價測試是SCR技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，包括樣件評價、單體及其組合系統(tǒng)的評價、轉(zhuǎn)鼓試驗臺上的排放測試和道路評價測試等。其中，發(fā)動機(jī)臺架上的SCR催化器單體評價包括溫度掃描、氨氮比掃描、空速掃描等試驗，以及催化器耐久性及老化考核。重型柴油機(jī)滿足未來法規(guī)的主流技術(shù)路線是柴油機(jī)氧化催化器(diesel oxidation catalyst, DOC)和顆粒捕捉器(diesel particulate filter, DPF)與SCR的組合應(yīng)用[5]，DOC+SCR組合試驗主要關(guān)注低溫時DOC對SCR催化器性能的影響，DOC+DPF+SCR組合試驗主要用于評價DOC+DPF的NO/NO2和DPF再生對SCR的影響。

根據(jù)SCR催化器單體及其組合系統(tǒng)評價測試的基本要求，基于前、后臺模式的尿素噴射控制系統(tǒng)，利用SCR催化器性能評價試驗裝置進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架試驗，以驗證尿素噴射控制系統(tǒng)的有效性。

1 試驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

后處理系統(tǒng)性能評價試驗裝置由后處理系統(tǒng)、試驗設(shè)備及其控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中，試驗控制系統(tǒng)包括4個獨立的子系統(tǒng)，分別用于排氣流量與溫度控制、外部EGR控制、排氣管輔助噴油(supplement fuel injection，SFI)控制、尿素噴射控制，通過這些子系統(tǒng)的聯(lián)合控制可實現(xiàn)DOC+DPF+SCR的測試評價。

圖1 柴油機(jī)后處理系統(tǒng)試驗裝置

1.1 試驗控制子系統(tǒng)

廢氣流量和溫度通過伺服電機(jī)驅(qū)動的電動蝶閥(V1～V5)調(diào)節(jié)，由控制模塊輸出脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation, PWM)信號控制開度。其中，V4與V5用于控制排氣流量，V2與V3用于控制排氣溫度。排氣流量調(diào)節(jié)采用旁通法，測試段出口和旁通段分別安裝有孔板流量計，用于對V4和V5按比例閉環(huán)聯(lián)動控制，兩者調(diào)節(jié)方向相反。通過將一部分排氣分流至空氣熱交換器來調(diào)節(jié)排氣溫度，由控制模塊基于溫度傳感器對V2和V3按比例閉環(huán)聯(lián)動控制來實現(xiàn)，調(diào)節(jié)范圍可以從發(fā)動機(jī)排氣溫度到規(guī)定的狀態(tài)(大約200～500 ℃)。其中，熱交換器入口處的V1閥和出口處V3閥分別用于控制排氣壓力和冷卻后的排氣流量。

低壓EGR控制模塊基于寬域氧傳感器測量廢氣的氧含量，調(diào)節(jié)位于發(fā)動機(jī)排氣管路與進(jìn)氣管路之間的電動蝶閥V6開度，通過EGR的閉環(huán)控制來改變發(fā)動機(jī)出口的NOx和PM排放量，滿足SCR或DPF的評價要求。EGR閉環(huán)控制可使發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作在排放特性NOx-PM折中曲線[6]的高PM區(qū)域，實現(xiàn)DPF的加載并使加載速率始終保持一致，同時，也為DOC和DPF的評價提供工況保障。

DOC前的排氣管內(nèi)SFI系統(tǒng)將柴油噴入排氣管內(nèi)，以提高DPF入口溫度，結(jié)合DOC用于DPF主動再生、熱循環(huán)測試、后處理系統(tǒng)的平衡點溫度(balance point temperature, BPT)測試和SCR脫硫試驗。

尿素噴射控制系統(tǒng)可按手動模式和自動模式控制尿素溶液噴射量。前者根據(jù)設(shè)置的噴射速率(質(zhì)量流量)按照標(biāo)定曲線計算PWM值，后者根據(jù)輸入的氨氮比(ammonia to nitrogen ratio，ANR)由軟件自動計算PWM值。噴射壓力則按照實際需求設(shè)定，實際工作時通常設(shè)為額定值。

圖2 尿素噴射系統(tǒng)

1.2 尿素噴射系統(tǒng)

尿素噴射系統(tǒng)由尿素箱、濾清器、尿素泵、排空(回抽)泵、單向閥、尿素噴嘴(噴射電磁閥)和管路等構(gòu)成，如圖2所示。

尿素箱中的尿素溶液經(jīng)過前級濾清后被吸入尿素泵，再經(jīng)過后級濾清后供給尿素噴嘴。尿素泵內(nèi)置壓力傳感器用于實時監(jiān)控泵壓和車載診斷(on-board diagnostics, OBD)。泵出口的單向閥使多余尿素回流至尿素箱，避免高壓管壓力超限。為了防止長時間不噴射或低溫狀態(tài)靜置時尿素溶液結(jié)晶堵塞管路和噴射器，當(dāng)發(fā)動機(jī)停機(jī)、SCR系統(tǒng)停止工作時，利用PWM信號驅(qū)動電磁閥來控制排空(反抽)泵，將管路內(nèi)的殘余尿素溶液回抽至尿素箱。尿素箱內(nèi)部具有加熱管道，用發(fā)動機(jī)冷卻液循環(huán)加熱尿素溶液，使其保持在合適的溫度。箱內(nèi)布置有液位和溫度傳感器，用于測量尿素溶液的液面高度和溫度。

尿素噴嘴通過法蘭安裝在SCR催化器上游的排氣管上，由于其長時間工作會導(dǎo)致溫度上升且經(jīng)常處于高溫環(huán)境下，因此，尿素噴嘴周圍設(shè)置有冷卻管路，由一個高頻開關(guān)電磁閥控制發(fā)動機(jī)冷卻液的流入，對其強(qiáng)制冷卻以避免過熱損壞。

尿素噴射系統(tǒng)通過直流繼電器控制電加熱器加熱尿素泵、進(jìn)液管、回流管、高壓管和排空泵抽吸管，防止低溫時尿素溶液結(jié)晶。

2 尿素噴射控制系統(tǒng)設(shè)計

尿素噴射控制系統(tǒng)由控制單元和上位機(jī)組成，兩者通過RS-232串口通信接口實現(xiàn)信息交互。

2.1 控制單元硬件設(shè)計

控制單元基于NXP 16位微控制器MC9S12DG128B開發(fā)，由核心電路、電源電路、輸入信號調(diào)理電路、執(zhí)行器驅(qū)動電路和串口通信接口電路等組成，如圖3所示。

圖3 尿素噴射控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1.1 傳感器信號調(diào)理電路

SCR系統(tǒng)的模擬信號分電阻類(如液位和溫度傳感器)和電壓類(如壓力傳感器和電源電壓)2種，分別采用不同的接口電路，區(qū)別在于，前者先經(jīng)過電阻-電壓變換，再按照電壓信號的處理方式進(jìn)行RC低通濾波，調(diào)理后的信號接至微控制器A/D轉(zhuǎn)換器模塊。離散量信號為0或12 V電平(如電加熱器工作狀態(tài)信號)，經(jīng)過幅值衰減、低通濾波和限壓保護(hù)后接至微控制器的數(shù)字I/O口。

2.1.2 執(zhí)行器控制電路

SCR系統(tǒng)的執(zhí)行器包括尿素泵電機(jī)、尿素噴嘴、直流繼電器、電磁閥。其中，尿素泵電機(jī)為PWM控制的無刷直流(brushless direct current, BLDC)電機(jī)，內(nèi)部電路板集成有相序檢測和自動換相電路，外部無需額外使用大功率驅(qū)動。因此，PWM信號與開關(guān)量信號接口電路均采用Infineon智能低邊開關(guān)TLE6220，片上具有4路功率驅(qū)動輸出，單通道驅(qū)動電壓和電流可達(dá)60 V和1.25 A，內(nèi)部帶有短路、過溫和過壓保護(hù)，可通過PWM信號并行控制或通過SPI接口串行控制[7]。本設(shè)計中利用2片TLE6220擴(kuò)展8路輸出，片上SPI接口用于開關(guān)量控制和故障監(jiān)測。2個芯片的SPI接口并聯(lián)，通過不同的片選信號加以區(qū)分。

由于尿素噴嘴開啟時需要提供較大的電流，因此，使用MOS管BUK9237驅(qū)動。為了使MOS管能夠完全導(dǎo)通和截止，MOS管前增加預(yù)驅(qū)動芯片IR2101，將I/O口的5V電壓拉升到12 V。鑒于尿素噴嘴在關(guān)閉瞬間(電流突然下降時)會產(chǎn)生很高的反電勢，因此在驅(qū)動電路中并聯(lián)續(xù)流二極管IN4148來快速泄放瞬時電流，以保護(hù)噴射閥。

2.1.3 串行通信接口電路

主控芯片MC9S12DG128B含有2個全雙工串行通信模塊SCI和3個CAN控制器，分別外接電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232ESE和收發(fā)器PCA82C250構(gòu)成RS-232C和CAN通信電路，前者用于與上位機(jī)通信，后者用于接收NOx傳感器信息和與發(fā)動機(jī)ECU通信。

2.2 尿素噴射控制單元軟件設(shè)計

與通常的SCR系統(tǒng)控制單元[8-9]不同，試驗用控制單元只根據(jù)目標(biāo)指令完成相應(yīng)的控制，沒有復(fù)雜的控制策略，只包含各種底層驅(qū)動、中斷和任務(wù)管理程序。為此，借助CodeWarrior StudioV5.1的處理器專家(processor expert，PE)功能，基于模塊化原則進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計。

底層程序采用綜合型前后臺架構(gòu)，前臺程序采用中斷方式處理緊急事件，后臺程序采用循環(huán)掃描方式進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。程序執(zhí)行方式有中斷觸發(fā)、節(jié)拍觸發(fā)和循環(huán)掃描3種類型[10]。從功能上劃分，軟件分為系統(tǒng)初始化、信號采集、加熱控制、尿素泵控制、尿素噴嘴控制、串行通信、故障診斷等模塊。其中，信號采集程序主要實現(xiàn)輸入信號采樣、滑動平均濾波、合理性檢查和物理量變換。根據(jù)信號變化的快慢，液位、溫度和壓力信號的采樣周期分別為2、1、0.2 s，按照增強(qiáng)型捕捉定時器模塊的定時中斷觸發(fā)采樣。異步串行通信程序負(fù)責(zé)將尿素噴射系統(tǒng)的各種狀態(tài)量定時發(fā)送給上位機(jī)，并接收和解析上位機(jī)的控制指令。

圖4 尿素噴射系統(tǒng)狀態(tài)管理流程圖

2.2.1 尿素噴射系統(tǒng)狀態(tài)管理

尿素噴射系統(tǒng)的工作分為待機(jī)、無壓控制、壓力控制和回抽4個狀態(tài)，如圖4所示[11]。狀態(tài)管理程序監(jiān)測當(dāng)前的運行狀態(tài)，并根據(jù)不同的條件進(jìn)行狀態(tài)切換。

1)待機(jī)狀態(tài)

控制單元上電并完成內(nèi)部初始化后，進(jìn)行尿素噴射系統(tǒng)自檢，如無故障則退出該狀態(tài)。

2)無壓控制狀態(tài)

發(fā)動機(jī)啟動后，如果環(huán)境度和尿素箱內(nèi)溫度低于-7 ℃時，將控制繼電器，加熱尿素泵的進(jìn)液加熱管、回液加熱管、噴射加熱管，并控制斷水閥對尿素箱加熱。

當(dāng)催化器上游溫度達(dá)到設(shè)定的閾值和尿素溶液溫度高于5 ℃，且無壓控制狀態(tài)的停留時間達(dá)到限值后，尿素泵開始工作，進(jìn)入壓力控制狀態(tài)。

3)壓力控制狀態(tài)

壓力控制狀態(tài)分為尿素注入、建壓、通氣、建壓檢測和計量噴射5個子狀態(tài)。

①尿素注入

向抽吸管、尿素泵和壓力管注入尿素，當(dāng)尿素注入量或壓力達(dá)到規(guī)定值并且超過預(yù)定時間，則進(jìn)入建壓狀態(tài)。

②建壓

建壓過程的持續(xù)時間取決于系統(tǒng)壓力是否達(dá)到限值，利用2個計數(shù)器來計量。若設(shè)定時間內(nèi)未達(dá)到壓力限值，且建壓小循環(huán)次數(shù)小于規(guī)定值，則進(jìn)入通氣階段。

若設(shè)定時間內(nèi)未達(dá)到壓力限值，且建壓小循環(huán)次數(shù)大于限值，則認(rèn)為建壓不成功。若此時為解凍狀態(tài)，等待設(shè)定時長進(jìn)行解凍，之后重新嘗試建壓，建壓大循環(huán)次數(shù)加1。如果為非解凍狀態(tài)，則重新嘗試建壓，建壓大循環(huán)次數(shù)加1。若建壓大循環(huán)次數(shù)達(dá)到限值則系統(tǒng)報錯。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程如圖5所示。

圖5 建壓狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程圖

③通氣

建壓過程中，若在設(shè)定時間內(nèi)未能達(dá)到規(guī)定壓力，則認(rèn)為壓力管內(nèi)存在空氣，噴射電磁閥將開啟一段時間以便排氣，然后重新回到建壓狀態(tài)。

④建壓檢測

壓力檢測邏輯分為系統(tǒng)壓力穩(wěn)定性檢測、壓力管檢測和回流管檢測3個步驟。

若在一定時長內(nèi)系統(tǒng)壓力能夠連續(xù)穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)，則壓力穩(wěn)定性檢測成功。否則，將在下一檢測時段內(nèi)重新檢測。若在設(shè)定時間后壓力仍不滿足要求，則表明壓力不穩(wěn)定。

當(dāng)尿素噴嘴打開時，若在規(guī)定時間內(nèi)系統(tǒng)壓力降至設(shè)定值以下，則壓力管檢測成功?；亓鞴軝z測時，若系統(tǒng)壓力在規(guī)定時長內(nèi)達(dá)到設(shè)定值并保持穩(wěn)定，表明系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。

⑤計量噴射

當(dāng)噴射壓力滿足要求，控制單元根據(jù)上位機(jī)給定的目標(biāo)值控制噴射，噴射量由噴射脈寬和噴射次數(shù)決定，有2種控制方式：一是保持噴射頻率不變，控制噴射脈寬；二是保持脈寬不變，控制噴射次數(shù)。由于后者在小流量時的精度受限，因而通常采用前一種方法。此外，當(dāng)改變尿素噴射量時，需要相應(yīng)地調(diào)節(jié)泵電機(jī)轉(zhuǎn)速以維持噴射壓力穩(wěn)定。

4)回抽狀態(tài)

尿素噴射系統(tǒng)停止工作前，需要將管路中的尿素溶液通過抽吸管回抽至尿素箱。此時，尿素泵電機(jī)停止運轉(zhuǎn)，噴射壓力將迅速下降。當(dāng)壓力降至設(shè)定值后，計時器開始計時，反抽泵啟動且尿素噴嘴開啟，以平衡系統(tǒng)內(nèi)部由于回抽導(dǎo)致的負(fù)壓。當(dāng)計時超過標(biāo)定時間后，倒抽完成，反抽泵停止工作，噴嘴關(guān)閉，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

2.2.2 尿素泵壓力控制程序

程序的任務(wù)是產(chǎn)生占空比信號來控制尿素泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，間接控制噴射壓力。按照工作狀態(tài)，壓力控制分為建壓和計量噴射2種情況。

1)建壓狀態(tài)

如果尿素噴嘴和尿素泵同時開始工作，則建壓速度較慢。為了快速建壓，控制單元先關(guān)閉尿素噴嘴，輸出固定占空比的PWM信號，使泵電機(jī)以較高的轉(zhuǎn)速運行。當(dāng)管路建壓完成且壓力檢測符合要求(接近額定值0.5 MPa)時，進(jìn)入計量噴射狀態(tài)，建壓模式由快速模式切換到緩慢模式。

2)計量噴射狀態(tài)

尿素噴射控制為壓力—時間計量方式，采用雙回路閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖6所示。外環(huán)回路為壓力控制回路，由控制單元實現(xiàn)，根據(jù)目標(biāo)壓力與測量壓力的差值，通過查詢尿素泵特性曲線，由PI控制器產(chǎn)生100 Hz不同占空比的PWM信號。內(nèi)環(huán)回路為轉(zhuǎn)速控制回路，由泵內(nèi)集成的智能控制模塊實現(xiàn)，通過將外環(huán)回路給定的占空比轉(zhuǎn)換成電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，由PID控制器進(jìn)行閉環(huán)控制。

圖6 尿素泵壓力控制結(jié)構(gòu)

圖7 噴射電磁閥驅(qū)動電流

2.2.3 尿素噴嘴控制程序

當(dāng)控制單元檢測到催化器上游溫度高于尿素起噴溫度時，激活噴射模式，根據(jù)目標(biāo)尿素噴射量和噴射電磁閥特性，計算噴嘴的占空比，按照2 Hz的頻率控制噴射。

圖8 噴射控制程序流程圖

噴射電磁閥驅(qū)動采用峰值-保持模式，控制過程分為開啟和保持2個階段，即噴射初期采用大電流驅(qū)動使噴射電磁閥快速開啟，在保持階段提供小電流維持其開啟狀態(tài)?；隍?qū)動電路采樣電阻的電壓反饋信號來調(diào)制PWM信號，對驅(qū)動電流進(jìn)行閉環(huán)控制，使電流保持穩(wěn)定并降低功耗[12]?？刂齐娏鞑ㄐ稳鐖D7所示，開啟與保持的切換點取決于峰值電流時間，該時間與蓄電池電壓有關(guān)，因此，程序中包含一個電壓-開啟時間修正脈譜圖。根據(jù)鉗形電流表和示波器測量不同蓄電池電壓下的噴射電磁閥電流波形標(biāo)定切換時間點。

噴射電磁閥驅(qū)動程序流程如圖8所示，控制信號導(dǎo)通時，按全電壓驅(qū)動并啟動定時器，延遲一個峰值電流持續(xù)時間后，輸出保持占空比。當(dāng)開閥時間等于噴射脈寬時，關(guān)閉噴射電磁閥。

為了消除溫度對噴射計量的影響，需要對尿素溶液密度進(jìn)行修正。溫度為20 ℃時尿素溶液密度為1.092 g/cm3；溫度為-40～110 ℃時計算公式[13]為：

ρ=1.100 01-0.000 428 345T-1.628 19×10-6T,

(1)

式中：ρ為尿素溶液密度，g/cm3；T為尿素溶液溫度，℃。

2.3 后臺軟件

后臺軟件提供試驗過程中的人機(jī)交互界面，主要負(fù)責(zé)尿素噴射系統(tǒng)狀態(tài)的圖像化顯示、故障診斷、測量數(shù)據(jù)的接收與存儲以及發(fā)送控制命令。

2.3.1 軟件功能與操作界面

后臺軟件使用VB.NET開發(fā)，其功能是接收控制單元上傳的系統(tǒng)運行參數(shù)并顯示和記錄，向控制單元發(fā)送目標(biāo)壓力和尿素噴射量的控制指令。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，顯示對應(yīng)的故障碼并將其保存到SQL數(shù)據(jù)庫中，同時進(jìn)行報警提示。

軟件由窗體和程序代碼2部分組成。窗體為直接操作的前臺面板，包括可視化的輸入控件和顯示控件，用于將相關(guān)參數(shù)命令傳遞給程序。用戶在窗體界面上進(jìn)行特定操作時，將執(zhí)行對應(yīng)功能的程序代碼。軟件的測試與控制界面如圖9所示，包括標(biāo)題欄、菜單欄、狀態(tài)欄、數(shù)字顯示區(qū)、曲線顯示區(qū)、儀表顯示區(qū)和狀態(tài)顯示區(qū)等，其中，狀態(tài)欄用于顯示系統(tǒng)運行時間、通信連接狀態(tài)、數(shù)據(jù)存儲進(jìn)程等。

圖9 后臺軟件測試與控制界面

2.3.2 數(shù)據(jù)通信

控制單元與上位機(jī)之間的通信采用自定義協(xié)議，雙向傳送均采用4字節(jié)的報文信息，分為狀態(tài)/控制報文和請求報文2種形式。其中，狀態(tài)報文由控制單元向上位機(jī)發(fā)送，由特征碼、測量值或故障碼、傳感器或部件類型標(biāo)識碼和校驗碼組成。控制報文由上位機(jī)向控制單元發(fā)送，由特征碼、控制對象標(biāo)識碼、控制量值和校驗碼組成。請求報文則雙方皆可發(fā)送，由識別碼、返回的出錯報文特征碼和2個無意義字節(jié)組成，用于告知發(fā)送方接收校驗失敗，請求重新發(fā)送。

2.3.3 數(shù)據(jù)存儲與顯示

數(shù)據(jù)存儲功能基于VB.NET Framework開發(fā)，通過ADO.NET實現(xiàn)VB.NET與SQL Server的鏈接，利用VB.NET中DataGrid相關(guān)控件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢過濾、刪除、添加和修改。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)后，先建立一個數(shù)據(jù)表，再調(diào)用Timer控件讀取數(shù)據(jù)，加以解析后顯示在數(shù)字顯示區(qū)和圖形顯示區(qū)。

3 標(biāo)定與驗證試驗

圖10 尿素泵壓力與占空比的關(guān)系

3.1 控制參數(shù)標(biāo)定

3.1.1 尿素泵控制參數(shù)標(biāo)定

尿素泵額定壓力和最大壓力分別為0.5和0.75 MPa，為了保證壓力控制的準(zhǔn)確性，需要確定控制參數(shù)(占空比)與噴射壓力之間的關(guān)系。

保持噴嘴占空比不變，從16%～37%逐漸改變泵電機(jī)占空比，得到尿素泵壓力與占空比的關(guān)系如圖10所示，顯然，當(dāng)壓力為0.3～0.75 MPa時，特性曲線呈線性關(guān)系。當(dāng)占空比大于40%時，單向閥已完全打開以防止壓力超限。改變噴嘴占空比，重復(fù)上述過程，將得到不同斜率的壓力調(diào)節(jié)特性。

3.1.2 尿素噴嘴控制參數(shù)標(biāo)定

圖11 尿素噴嘴流量特性

在額定噴射壓力下，尿素噴嘴的質(zhì)量流量為45～5400 g/h。通過調(diào)節(jié)泵電機(jī)轉(zhuǎn)速以保持噴射壓力不變，按間隔為10%使占空比從10%～100%變化，利用梅特勒-托利多MS6002S電子天平(精度0.01 g)計量單位時間內(nèi)的噴射量，得到噴嘴質(zhì)量流量與占空比的關(guān)系。改變噴射壓力，重復(fù)上述過程，可得到不同斜率的特性曲線。噴射壓力為0.5、0.7 MPa下的噴嘴質(zhì)量流量特性如圖11所示。

為了消除泵壓波動引起的噴射計量誤差，根據(jù)上述標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合得到尿素噴射速率修正系數(shù)

k=1.196Pbump2-2.249Pbump+1.829，

(2)

式中Pbump為尿素泵壓力，MPa。

3.2 SCR催化器單體評價試驗

3.2.1 試驗柴油機(jī)與測試設(shè)備

試驗在配備Dnyo Road 202/12.5L電力測功機(jī)的發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行，結(jié)合SCR 催化器單體評價以檢驗?zāi)蛩貒娚淇刂葡到y(tǒng)的各項功能和可用性。柴油機(jī)用來產(chǎn)生SCR催化器工作所需的原始排放、廢氣流量和溫度，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗原型柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

考慮到國六法規(guī)對SCR催化器低溫時的高效率要求和高溫時DPF再生對涂層耐溫的要求，采用低溫性能較好的銅基分子篩，載體為堇青石，直徑為190.5 mm，體積為5.78 L。SCR催化器采用直筒式封裝結(jié)構(gòu)，體積為6.5 L，上載量為170 g/L。

試驗過程中，催化器溫度和廢氣流量由后處理裝置試驗系統(tǒng)調(diào)節(jié)與監(jiān)測，利用AVL AMA i60和AVL SESAM i60 FT排放測試系統(tǒng)分別測量原排和催化器后廢氣組分，后者還用于監(jiān)測氨泄漏，以保證各種試驗條件下氨泄漏不超過10 mL/m3。

根據(jù)給定的氨氮比，考慮到添藍(lán)尿素溶液濃度為32.5%并假設(shè)廢氣摩爾質(zhì)量和空氣摩爾質(zhì)量一致，均為28.9 g/mol，則尿素噴射速率

vad=0.147·qm·bNOx·AANR

，

(3)

式中：vad為尿素噴射速率，g/h；AANR為NH3與NOx的化學(xué)劑量比；qm為廢氣質(zhì)量流量，kg/h；bNOx為發(fā)動機(jī)原排氣中NOx濃度，mL/m3。

SCR催化器的NOx轉(zhuǎn)化效率

η=(C1-C2)/C1

，

(4)

式中：C1、C2分別為催化器前、后的NOx濃度，mL/m3。

3.2.2 空速掃描試驗

空速(space velocity，SV)宏觀表征發(fā)動機(jī)尾氣在載體內(nèi)的停留時間，即化學(xué)反應(yīng)時間，定義為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(25 ℃、100 kPa)下排氣體積流量與催化劑體積的比值。溫度和壓力修正后的非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空速

CSV=qv/V=1000qmRTex/(PVM)，

(5)

式中：CSV為空速，h-1；qv為排氣體積流量，L/h；qm為廢氣質(zhì)量流量，kg/h；R為氣體常數(shù)，R=8.31(Pa·m3)/(mol·K)；P為排氣壓力，kPa；Tex為排氣溫度，K；V為催化劑體積，L；M為廢氣摩爾質(zhì)量，M=29 g/mol。

圖12 空速對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

文獻(xiàn)[14]規(guī)定，SCR部件級獨立評價必須包含40 000、50 000 h-1兩種空速。為此，在排溫為200、300、400 ℃條件下，按照給定空速調(diào)節(jié)排氣流量，進(jìn)行20 000～60 000 h-1空速掃描，不同空速時氨氮比為1的NOx轉(zhuǎn)化效率如圖12所示，平均氨泄漏量為3.284 002 mL/m3?？账僭酱?，排氣參與還原反應(yīng)的時間越短，而化學(xué)反應(yīng)效率與反應(yīng)時間呈正比，故轉(zhuǎn)化效率越低，尤其是在低溫區(qū)。這與文獻(xiàn)[15]的研究結(jié)果基本一致。

3.2.3 溫度掃描試驗

圖13 催化劑溫度對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

設(shè)定氨氮比為1.4，分別在廢氣流量為260、430、450 kg/h條件下進(jìn)行溫度掃描，NOx轉(zhuǎn)化效率隨催化劑溫度的變化如圖13所示，平均氨泄漏量為1.900 106 mL/m3。溫度小于250 ℃時，溫度越高，NOx轉(zhuǎn)化效率越高。當(dāng)溫度高于250 ℃時，溫度對NOx轉(zhuǎn)化效率影響較小，但溫度的上升會減弱氨存儲能力，出現(xiàn)氨泄漏時轉(zhuǎn)化效率略微降低[16]。

3.2.4 氨氮比掃描試驗

圖14 氨氮比對NOx轉(zhuǎn)化效率的影響

催化劑溫度分別為200、300、450 ℃，氨氮比分別為0.8、1.0、1.2、1.4時進(jìn)行尿素噴射試驗，廢氣質(zhì)量流量為450 kg/h時，不同溫度下的NOx轉(zhuǎn)化效率與氨氮比的關(guān)系如圖14所示，平均氨泄漏量為1.548 262 mL/m3。當(dāng)氨氮比小于1.2時，隨著氨氮比增加，NOx轉(zhuǎn)化效率顯著上升；當(dāng)氨氮比大于1.2時，雖然氨氮比增大，但NOx轉(zhuǎn)換效率基本不變。

4 結(jié)語

針對在發(fā)動機(jī)臺架上對SCR催化器的評價測試要求，基于16位微控制器MC9S12DG128B設(shè)計尿素噴射控制單元硬件和相應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)軟件，并采用VB.NET開發(fā)后臺軟件，實現(xiàn)尿素噴射系統(tǒng)的狀態(tài)管理、加熱控制、尿素噴射壓力控制和噴射速率控制、故障診斷、數(shù)據(jù)存儲與顯示等功能。通過標(biāo)定試驗，分別確定尿素泵控制參數(shù)(占空比)與噴射壓力、尿素噴嘴控制參數(shù)(占空比)與噴射速率的關(guān)系。利用后處理系統(tǒng)性能評價試驗裝置，結(jié)合空速掃描、溫度掃描和氨氮比掃描試驗，進(jìn)行功能性和可用性檢驗，證明開發(fā)的尿素噴射控制系統(tǒng)可滿足SCR催化器單體評價和后續(xù)一系列測試的要求。